城市区域供水管网背景漏失控制研究

2023-02-14侯建楠李鑫陶其育

海河水利 2023年1期

侯建楠，李鑫，陶其育

（1.天津津滨威立雅水业有限公司，天津 300011；2.天津市自来水集团公司第一营销分公司，天津 300000；3.天津市公用事业设计研究所，天津 300100）

1 研究意义和必要性

城市供水管网漏失问题已经在世界范围内引起广泛重视，许多学者都在进行漏失模拟、检测、修复等研究。压力最优控制降漏法的实质是通过科学地控制减压阀开启度以及水泵的调度，实现管网水压的优化分布，进而达到降低漏失的目的。该模型中实现漏失量与节点流量的分离，利用其与压力的关系将漏失量准确地量化，纠正以往将漏失均匀分配的弊端，使得模型更接近于管网实际运行情况。进行减压阀、在线监测点优化定位算法分析，以典型区域示范为基础，构建城市“SCADA-控制中心-减压阀-水泵”四位一体压力漏失控制体系，实现漏失控制自动化、高效化。

各地自来水公司通常采用一种或多种漏失管理策略，如管道改造、现有漏失直接探测和修复以及运行压力管理。管道改造是成本最高的长期行为，涉及很多因素如漏失和水质等。直接探测和修复现有漏失是一种非常有效的方法，该方法可以阻止因爆管而产生的大量漏失，但是不能降低因管道连接处渗漏而产生的背景漏失。目前已经建立了许多预测、定位和量化管网中漏失的算法。压力管理是降低漏失的最经济有效的方法之一，并在许多自来水公司中得到应用。与此同时，科学的压力管理进一步把漏失的风险降到最低。许多研究者已经建立和应用了各种最优化管网运行压力的方法和算法，可以极大地减少漏失。

结合城市供水管网水力模型与基于压力的漏失模型，通过对分区边界和内部减压阀进行调度管理，实现供水管网压力控制管理，进而降低管网漏失，具有重要的现实意义。

近20 a来，随着经济的快速发展，城市化加快，城市规模不断扩大，根据城市发展需要改扩和新建了许多供水管网，并更换了大量的老化管道。但由于供水管网设计不尽合理和供水管理体系尚存在着诸多问题，城市供水降低供销产差和有效的控制漏损等给水管网维护管理工作已成为我国目前供水行业研究的重点问题。在水资源匮乏、水源污染严重、建设资金短缺以及城市供水难以满足需求的情况下，加强漏损控制对于有效地利用水资源、减少对环境的危害、减少或延缓水系统建设投资、降低运行和管理费用、改善服务供应、提高供水企业的经济效益和社会效益均具有重要意义。管网漏损在供水行业是一个普遍现象，漏损控制可以有效地节约水资源，提高供水企业的经济效益。以华北某市日平均供水量100万t计，产销差约为20%，漏失率约为12%，在此基础上如果漏损率降低10%～15%，那么降低漏失量为1.2万～1.75万t，按3.9元/t计，全年产生经济效益约1 708万～2 491万元。项目推广在全国供水行业可以产生较大的社会和经济效益。

2 国内外技术现状与发展趋势

2001年，哈尔滨工业大学根据实际供水管网的漏损数据，采用时间序列分析方法建立了给水管网漏失预测的线性指数平滑模型和二次曲线平滑模型，通过实例验证了有效性，并指出二次曲线平滑模型的精度要高于线性指数平滑模型。随后，天津大学在对供水管网漏损数据进行统计和分析的基础上按照管段实际发生漏损次数的多少，分为2种情况建立了供水管网漏损时间的预测模型：对漏损次数延4次的管段采用基于SAS系统的多元线性回归方法，对漏损次数大于4次的管段则采用灰色预测方法。2004年，同济大学以管网历史漏损统计数据为基础，以漏损控制总费用最低为目标，采用自回归滑动平均混合过程及叠合模型预测管网漏量、漏损件数，并求解管网经济漏水量，在此基础上建立漏损检测周期的优化数学模型。

国外在这方面的研究发展较快，除研究了多元线形回归模型、指数平滑模型等漏损预测模型外，还研究了自控阀调节下管网漏损模型，在管网中普遍设置了自控阀，通过优化减压装置和开启度来降低管网中的漏失。一般来说，按管网的水力工况把供水管网分成小区，再基于小区进行漏失控制。目前，国内外关于供水管网漏损控制研究都在向实时在线检测和人工智能方面发展。

3 产业化前景

在水资源严重短缺的形势下，大、中、小城市的供水生产部门控制供水管网的漏损都是迫切需要解决的课题。通过研究，可以为供水企业降低产销差率，提高经济效益，保障安全供水；有效地控制压力可以减少爆管事故，提供更稳定的服务；减少背景渗漏及暗漏量；减少设施维修量；延长资产寿命；压力控制所需的阀门费用远远低于管网改造费用。

建立基于压力的供水管网漏失模型和供水管网综合水力模型，可以为实现供水管网分区计量管理、确定供水管网减压阀布置方案提供可行理论基础。天津市是华北地区重要的经济中心，城市区域供水管网背景漏失控制研究成果的成功应用可以起到示范作用，带动华北广大城市在该技术领域取得显著进步和巨大效益。

4 研究内容及方法

考虑漏失控制的城市供水管网科学分区方法[1]，以某个城市供水为实例形成城市供水管网分区计量管理方案；提供减压阀最优调度方案[2]，实现城市供水管网压力最优化控制，降低爆管事故率；降低供水管网背景漏失，实现示范区域内供水管网漏失率在现有的基础上降低10%～15%。

传统给水管网建模理论将管网漏失流量按一定比例折算到节点流量中，无法对管网中漏失进行控制与评价。城市给水管网压力与漏失控制研究提出新型给水管网微观水力模型建模理论，在传统水力模型中引入漏失与压力关系数据，并且建立新型给水管网微观水力模型求解算法。该模型对于给水管网背景漏失量评价与控制具有重要意义。其研究主要内容如下。

4.1 城市供水管网分区方法研究

本研究根据国际水协提供的供水管网分区计量方法，针对我国供水管网实际情况建立适应国情的供水管网分区方法，对分区内漏失进行定量分析，指导给水管网漏失探测行为。传统给水管网减压阀设置以工程技术人员工作经验为基础，而给水管网分区计量管理为给水管网减压阀设置提供科学指导。

事实上，由于现有基础设施规划布局和供水管网压力优化管理的需要，分区计量区域的规模总是变化的。为此，需要在城市供水总体布局的要求下，将大的供水区域逐级细化，实现考虑漏失控制的城市供水管网科学分区。

4.2 城市供水管网综合水力模型建立

4.2.1 给水管网水力模型分析

传统供水管网水力模型包含节点连续性方程、能量守恒方程和水头损失方程。管网水力计算时按比例分配节点流量，并未考虑管网漏失量对节点流量分配的影响。研究表明，供水管网漏失量与压力有关，相关研究人员建立了基于压力的漏失量模型。该模型是管网漏失优化控制的基础水力模型，消除了形成传统水力模型误差的重要因素，极大提升了传统水力模型的精度。

本研究对传统水力模型进行改进，认为节点流量由节点用水量和漏失量组成，建立包含漏失模型的供水管网综合水力模型。

4.2.2 给水管网漏失模型分析以及相关参数推理

当缺乏详细漏失信息时，通过夜间最小流量方法和实验室试验来估计漏失模型参数。

4.2.3 给水管网综合水力模型求解算法理论分析

根据能量平衡和节点流量平衡原理，利用节点压力向量、管段流量向量、节点用水量向量以及节点漏失量向量进行算法理论分析，来推导出考虑管网漏失的给水管网综合水力模型的求解初始化过程以及模型求解迭代过程。

4.3 供水管网压力管理最优化控制目标函数建立

以边界流量的经济最优为目标以及安全供水为约束条件，建立供水管网压力[3-5]管理最优化控制策略。假设节点用水量与压力无关，则边界流量成本最低即为漏失量最低。当系统中不含蓄水设施时，可以在每个时间段单独进行最优化计算。

供水管网压力管理最优化控制过程中，对于边界减压阀决策变量采用边界水头，对于内部减压阀决策变量采用阀门阻力系数。控制过程中将阀门阻力系数转化为阀门开启状态。

4.4 压力最优化控制问题求解

减压阀优化调度模块通过高级数学建模语言通用代数建模系统（GAMS或MATLAB）实现，利用非线性规划法进行求解。优化解以阀门优化调度策略的形式表达，可以通过对计算结果的后处理绘制减压阀压力与流量关系曲线。

4.5 关键技术问题的研究解决

建立的新型供水管网水力模型及漏失模型采用漏失与压力和流量函数关系，区别于总漏失量在管网中平均分配的传统水力模型及漏失模型；采用减压阀实现城市区域供水管网背景漏失的压力控制，区别于传统的对大流量漏失点的检测及维修控制方法，其特别适用于一般检测仪器难于检测到的微量漏失。此外，研究中拟应用经济漏失概念，综合漏失水量费用和漏失控制费用两项经济因素，使优化漏失控制更加科学。关键技术问题，记述如下。

4.5.1 考虑漏失控制的管网细化分区方法

在保证用户水压足够的前提下，分区后管网应均衡水压，尽可能实现低压供水以利于减少漏失量、降低能耗和事故发生率。为将区域水压控制在一定范围内，需考虑以下因素来确定区域规模：区域内地形标高差、管道水头损失、区域形状、进水点位置、人口密度及工业用水情况等。为减少管网改造费用，应根据区域内现有主要管道的管径确定管段流量，设计分区规模。另外，分区之后的区域规模应便于漏失调查和区域计量。

4.5.2 基于漏失与压力和流量函数关系的供水管网水力模型的建立与求解方法

压力漏失模型认为漏失与压力是相关的，漏失点单位时间内的出水量与该点处的管网压力水头直接相关。在城市供水管网模型中，常采用点式漏失模型来描述漏失量与漏点处压力的关系，目标函数为：

式中：Q为流量（m3/s）；β为流量系数；µ为漏失指数；P为节点压力（m）。

漏失模型将年水量平衡法、夜间最小流量法和水力模型相结合。首先，进行水量衡算，初步估算管网的漏损情况；其次，利用夜间最小流量模型对管网的夜间最小流量发生时刻的漏损率以及日平均漏损率进行漏失计算；再次，结合水力模型，通过软件模拟，反复叠加运算，不断拟合实际工况，将漏失水量按受压力的影响分配到各个节点，以确定各条管段的漏损率。

4.5.3 减压阀优化控制模型的快速遗传求解算法

对供水管网压力较高的区域，在考虑供水安全的条件下采用减压阀优化控制可以降低管网漏失，以控制管网中不利点的压力为约束条件建立管网压力模型，在管网中布置足够多的压力点进行SCADA压力流量数据采集，将这些数据代入管网压力模型中构建大型矩阵方程，再利用快速遗传求解算法计算。

4.6 研究方法和技术路线

4.6.1 研究方法

本研究综合数值模拟、最优化方法、实验室实验与现场实测方法对供水管网压力与水漏失控制进行研究，即将传统给水管网水力建模理论与基于压力的漏失模拟理论结合，建立新型给水管网微观水力模型，构建大型非线性方程组求解。通过实验研究确定漏失模型指数，通过夜间最小流量测量与分析确定漏失常数。通过实验方法测定减压阀流量压力曲线，采用最优化方法对给水管网压力与漏失进行优化控制。

4.6.2 技术路线

本研究的技术路线，如图1所示。